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浅谈核设备缺陷自身高度超声波测量技术

蔡家藩聂勇许远欢杨崇安

（核动力运行研究所，武汉，430074）

摘要超声检测是核电站设备常用的一种体积检验方法，在核设备各个阶段都有广泛地应用。超声检测在保证核设备的安全运行方面起着不可替代的作用。而在核设备的超声检测技术中，根据目前国内外经验，目前普遍认为缺陷的自身高度测量技术也是属于较难的课题。本文重点叙述了核容器设备和管道焊缝缺陷自身高度超声波测量技术的试验研究和测量方法，对提高在用核设备超声检测技术的可靠性和有效性有一定的适用价值。

关键词超声检测，缺陷自身高度，尖端衍射

1.前言

超声检测是核电站设备最常用的一种体积检验方法，核原材料检测、制造过程中的检测、安装过程中的检测、役前检查和在役检查都离不开超声检测。由于超声检测能测量缺陷的长度和壁厚方向的自身高度，在含缺陷部件的安全评定时，是一种较好的无损检测手段。

超声检测技术在核设备的在役检查中应用较广泛，例如在ASME标准中，轻水堆核电站要求进行超声检测的焊缝或部位有：一级部件包括反应堆压力容器承压焊缝；其他容器承压焊缝；容器上接管的全焊透焊缝；承压容器接管的异种金属焊缝；直径大于2in.(50.8mm)的承压螺栓件；管道的承压焊缝；泵壳的承压焊缝；阀体的承压焊缝。二级部件包括：压力容器上的承压焊缝；容器上的承压接管焊缝；直径≥2in.（51mm）的承压螺栓件；奥氏体不锈钢或高合金钢管道上的承压焊缝（环焊缝）；碳钢或低合金钢管道上的承压焊缝。

超声检测在保证核设备的安全运行方面起着不可替代的作用。而在核设备的超声检测技术中，根据目前国内外经验，普遍认为缺陷的自身高度测量技术也是属于较难的课题。在多年的无损检测工作工程实践和应用研究中，本文进行了针对性的技术探讨。

缺陷自身高度测量大体可分为，容器设备焊缝缺陷自身高度测量和管道焊缝缺陷自身高度测量技术。

在ASME和RSEM标准以及国内的JB/T4730-2005标准中，都明确提出了在用设备的超声检测均需要进行缺陷自身高度的测量，为了满足标准的要求，需要作大量的研究工作。

在进行缺陷验收和缺陷评定时，要求必须给出缺陷沿壁厚方向的自身高度值，因此必须通过试验研究确定有效的缺陷自身高度测量技术。

2.容器设备焊缝缺陷自身高度测量

从目前国内外的经验来看，尖端衍射信号测量法，是目前设备焊缝比较通用而有效的一种缺陷自身高度的测量方法。

尖端衍射信号：根据惠更斯原理，超声波入射到缺陷（如裂纹）上时，在裂纹上下尖端会形成次波源而产生衍射（称为衍射波）。端点衍射波测量法是通过测量裂纹端点衍射回波的传播时间差值来求得裂纹自身高度的。

具体方法为，从焊缝两侧，分别探测缺陷的上端点和下端点衍射信号（有时也可用上下端点的反射信号进行测量，本文重点讨论尖端衍射信号测量技术），和/或角反射信号：

a)对于较近表面位置的缺陷，主要用60°横波探头进行缺陷自身高度测量，用45°横波探头进行核实。

b)对于较远区域位置的缺陷，主要用45°横波探头进行缺陷自身高度测量，用60°横波探头进行核实。

尖端衍射信号测量技术可以用来测量深埋和表面缺陷的自身高度。用合适的探头，探测到缺陷的尖端衍射信号，调整增益，使信号幅度至50%~70%。扫查探头找到上端点衍射信号（M1），记录探头位置和声程/或深度，移动探头，找到下端点衍射信号（M2）的最大回波，记录探头位置和声程/或深度。对于表面缺陷，可以探测角反射信号（C1）和缺陷的尖端衍射信号。

=1\*GB3①深埋缺陷的高度测量

对于深埋缺陷见图2-1：

M2M1

M2M1

(D2)(D1)

图2-1深埋缺陷探测示意图

－记录声程：

缺陷自身高度=(M2-M1)xCosθ

－记录深度：

缺陷自身高度=(D2-D1)

=2\*GB3②表面开口缺陷的高度测量

对于表面缺陷，如图2-2：

M2M1

M2M1

(D2)(D1)

C1

C1

波型转换技术的探头为大角度（大于或等于60°）纵波探头，缺陷自身高度的确定可以根据缺陷尖端衍射信号（绝对传播时间技术）或根据包括波型转换在内的其他回波信号的综合判断。

多种回波信号主要包括：直接缺陷本身回波或尖端衍射波；如果缺陷高度大于6mm，波型转后在缺陷面的反射回波信号（通常的30/70/70），探头本身的35°横波，通过底面转换为发射70°纵波，在从缺陷面反射，被探头接受；内表面的爬波形成的回波。见图3-5。

ID

ID爬波

70°

纵波

外表面爬波

~35°横波

~31°非直接横波

70°

纵波

图3-4(a)波型转换测量技术示意图

较大缺陷